Date of Award

12-2019

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Materials Science and Engineering (MSMSE)

Department

Mechanical Engineering

First Advisor

Dr. Muhammad Zafar Iqbal

Second Advisor

Prof. Basim Abu-Jdayil

Abstract

Graphene has been regarded as a multifunctional nanofiller for manufacturing polymer nanocomposites. A small amount of graphene nanosheets is expected to significantly improve the properties of base polymers. The property enhancement, however, is a function of the degree of exfoliation and dispersion of graphene as well as its compatibility with the polymer. The non-polar nature of polyolefins such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP) restricts the homogeneous dispersion of graphene, leading to significant agglomeration of the nanosheets and thus, limiting the expected property improvements in polyolefins. Currently, more efforts are focused on finding strategies to improve graphene dispersion in polyolefins. In this thesis, two strategies were followed to improve the dispersion efficacy of graphene in PP: (1) using compatibilizers, and (2) covalent functionalization of graphene.

The first part of the thesis discusses a new compatibilizer (ethylene butyl acrylate (EBA)) for graphene/PP nanocomposites and compares it with a conventional compatibilizer (polypropylene-grafted-maleic anhydride (PP-g-MA)). The nanocomposites were prepared by varying graphene concentrations and compatibilizer/graphene (C/G) ratio using the conventional melt blending approach. Increasing C/G reduced the %crystallinity of EBA-compatibilized nanocomposites whereas a slight decrease in %crystallinity was observed for MA-compatibilized nanocomposites. The compatibilized nanocomposites showed a marked increment in the tensile modulus where EBA-compatibilized nanocomposites exhibited a 44% increment and MA-compatibilized nanocomposites showed 32% increment at 5 wt% graphenes. However, elongation at break increased significantly with increasing the compatibilizers compared to neat PP/graphene nanocomposites. Higher values of elongation at break for EBA-compatibilized nanocomposites are attributed to lower %crystallinity in these nanocomposites.

In the second approach, various types of amine-functionalized graphenes have been used to prepare PP/Functionalized-graphene nanocomposites. The nanocomposites were prepared by melt and solution blending methods. The x-ray diffraction and transmission electron microscopy confirmed exfoliated and sheet-like morphology of functionalized graphene. Interestingly, both solution and melt blended nanocomposites exhibited equivalent tensile moduli. The tensile strength of solution-blended nanocomposites was lower than that of melt-blended nanocomposites. However, the elongation at break increased to 3 times in solution-processed nanocomposites.

Arabic Abstract

تصنيف مادة الجرافين النانوية الحجم عند استخدامها كمادة مالئة في تصنيع مركبات البوليمر بإضافة خصائص متعددة لهذه المركبات، حيث أن استخدام كمية صغيرة من الجرافين يمكن أن يؤدي إلى تحسن كبير في خصائص البوليمرات. على الرغم من ذلك، يعتمد مقدار التحسن في الخصائص المختلفة بشكل مباشر على درجة تفكك (degree of exfoliation) وتوزيع (dispersion) الجرافين خلال منظومة البوليمر بالإضافة إلى توافقه (compatibility) مع البوليمر. من الجدير بالذكر أن الطبيعة غير القطبية لبولي أوليفينات (polyolefins) مثل البولي إيثيلين (PE) والبولي بروبيلين (PP) تحد من انتشار الجرافين داخل منظومة البوليمر مما يؤدي إلى تكتل صفائحه النانوية (agglomeration)، وبالتالي يحد من التحسينات المتوقعة في الخصائص ويعيق عملية إنتاج مركبات متجانسة. تركز الجهود المبذولة حالياً على إيجاد طرق مختلفة لتحسين الانتشار المتجانس للجرافين في البولي أوليفينات. في هذه الرسالة، تم اتباع استراتيجيتين لتحسين انتشار صفائح الجرافين في البولي بروبيلين: (1) استخدام مواد موافقة (compatibilizers) و(2) تطوير التركيب التساهمي للمجموعات الوظيفية على الجرافين (covalent functionalization of graphene).

يناقش الجزء الأول من هذه الأطروحة استعمال مركب توافق جديد وهو إيثيلين بيوتيل أكريلات (ethylene butyl acrylate (EBA)) في تشكيل المركبات النانوية للجرافين والبولي بروبيلين، وقد تمت مقارنته بأحد المركبات التوافقية التقليدية (أنهيدريد الماليك المشبع بالبولي بروبيلين - polypropylene-grafted-maleic anhydride (PP-g-MA)). في هذا الجزء، تم تحضير المركبات النانوية باستخدام عدة نسب من الجرافين بالإضافة إلى نسب مختلفة من الجرافين والمادة الموافقة (C/G) باستخدام نهج المزج التقليدي بالإذابة. في المركبات التي استخدم فيها EBA، أدت زيادة نسبة C/G إلى تقليل نسبة البلورة (%crystallinity) بينما لوحظ انخفاضها في المركبات المصنعة باستخدام MA. من جهة أخرى، أظهرت المركبات زيادة ملحوظة في معامل الشد بوجود المواد الموافقة، حيث أظهرت المركبات المصنعة باستخدام EBA زيادة بنسبة 44% في معامل الشد، بينما أظهرت المركبات التي تحتوي على MA زيادة بنسبة 32% وذلك عند استخدام 5% بالوزن من الجرافين. بالإضافة إلى ذلك، لوحظ وجود زيادة كبيرة في الاستطالة (elongation at break) في هذه المواد المركبة بوجود المادة الموافقة مقارنة مع مركبات الجرافين والبولي بروبيلين النقية (الخالية من أي مواد موافقة). من الجدير بالذكر أن الزيادة في استطالة المركبات التي تحتوي على مادة EBA التوافقية تعود إلى انخفاض نسبة التبلور نتيجة لاستخدام مادة EBA في هذه المركبات.

في الجزء الثاني من الدراسة، تم استخدام أنواع مختلفة من الجرافين الأميني الفعال لإعداد مركبات الجرافين والبولي بروبيلين النانوية التي تم تحضيرها بطريقتين: الأولى عن طريق المزج بالإذابة (melt blending) والثانية عن طريق المزج بالمحلول (solution blending). أكدت نتائج الدراسة بالأشعة السينية (x-ray diffraction) حدوث تفكك لطبقات الجرافين المتكدسة، بينما أظهرت صور المجهر الإلكتروني (transmission electron microscopy) احتفاظها على الشكل الورقي للجرافين. ومن الجدير بالذكر أن المركبات النانوية المحضرة بالطريقتين سجلت معاملات شد متقاربة، من جهة أخرى، كانت قوة الشد للمركبات المحضرة بالمحلول أقل من مثيلاتها المحضرة عن طريق المزج بالإذابة، ومع ذلك، كانت الاستطالة (المرونة) في المركبات النانوية المحضرة بالمحلول أعلى بـ 3 مرات من تلك المحضرة عن طريق المزج بالإذابة.

Arabic Comments

مفاهيم البحث الرئيسية: جرافين، تفكك، انتشار، بولي أوليفينات، بولي بروبيلين، مركبات التوافق، تساهمي، تركيب المجموعات الوظيفية.

Download
COinS